RU196766U1

RU196766U1 - Устройство беспроводной передачи энергии

Info

Publication number: RU196766U1
Application number: RU2019139934U
Authority: RU
Inventors: Полина Вячеславовна Капитанова; Ксения Павловна Руднева; Павел Александрович Белов; Станислав Борисович Глыбовский; Минчжао Сун; Константин Руфович Симовский
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-03-16

Abstract

Полезная модель относится к электрорадиотехнике, а более конкретно к устройствам беспроводной передачи энергии, способным заряжать одно или несколько мобильных устройств одновременно. Устройство беспроводной передачи энергии содержит источник энергии, соединенный через первую цепь согласования импедансов с передатчиком электромагнитной энергии, представляющим собой метаматериал, состоящий из проводников, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу на расстоянии sдруг от друга, где sудовлетворяет условию 0,001⋅λ<s<0,1⋅λ, где λ- длина электромагнитной волны в метаматериале, выполненным с возможностью индуктивной связи с приемником электромагнитной энергии, при этом метаматериал состоит из одного слоя проводников длиной L, замкнутых друг на друга по краям с помощью емкостных элементов, при этом длина проводников L определяется по формуле:где,- параметр, характеризующий емкость конденсатора С, ω - круговая частота, Z- волновое сопротивление проводников линии. Техническим результатом является использование стандартной технологии и простоты изготовления. Повышение эффективности передачи энергии от блока беспроводной передачи энергии к блокам беспроводного приема энергии достигается за счет формирования равномерного магнитного поля с высокой интенсивностью на поверхности блока беспроводной передачи энергии. 6 ил.

Description

Полезная модель относится к электрорадиотехнике, а более конкретно к устройствам беспроводной передачи энергии, способным заряжать одно или несколько мобильных устройств одновременно.

Известна «Беспроводная многозарядная система и способ ее управления» (патент США МПК H02J 7/00; H02J 7/02; H01F 17/00; Н02М 3/335, №8102147, дата приоритета 04.04.2009, дата публикации 24.01.2012), в которой описана система, позволяющая заряжать несколько мобильных устройств одновременно. Система беспроводной передачи энергии представляет собой стол, на поверхность которого установлено множество блоков беспроводной передачи энергии, каждый из которых включает в себя передающую катушку. При протекании переменного тока по катушке она генерируют перпендикулярное своей плоскости магнитное поле. В качестве приемника используется катушка, чувствительная к переменному магнитному полю, которая может быть встроена в различные мобильные устройства. При расположении приемной катушки над передающей катушкой происходит обнаружение положения приемника и включение соответствующей передающей катушки. К недостаткам данного решения следует отнести то, что не предусмотрено экранирование блоков беспроводной передачи энергии для подавления паразитного излучения электромагнитного поля, пагубно влияющего на биологические объекты, расположенные в непосредственной близости системы, а также то, что не допускается подзарядка приемного устройства при его произвольной ориентации.

Известна «Метаматериальная резонансная структура» (Патент РФ №RU 2490785 С1, МПК Н03Н 9/15, H02J 17/00, дата приоритета 10.01.2012, дата публикации 20.08.2013), где предложена резонансная структура, обладающая свойствами метаматериала, которая может быть использована в устройствах беспроводной передачи энергии в качестве приемника или передатчика. Резонансная структура представляет собой комбинацию расположенных друг под другом сильно связанных кольцевых резонаторов с зазором, каждый из которых зашунтирован конденсатором, при этом каждый кольцевой резонатор выполнен в виде металлической полоски на диэлектрической подложке и соединен с соседним резонатором с зазором посредством последовательно включенного конденсатора. Следует отметить, что добротность резонансной структуры невелика и составляет от 150-200.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Устройство беспроводной передачи энергии» (Патент РФ №RU 187264, МПК H02J 7/00, дата приоритета 23.05.2018, опубликовано 27.02.2019), которое способно заряжать одно или несколько устройств одновременно, включающее источник энергии, соединенный через первую цепь согласования импедансов с передатчиком электромагнитной энергии, выполненным с возможностью индуктивной связи с приемником электромагнитной энергии. Передатчик электромагнитной энергии представляет собой метаматериал, состоящий из двух слоев проводников, которые, по меньшей мере, частично размещены внутри диэлектрика, где в каждом слое проводники расположены в одной плоскости параллельно друг другу на расстояниях s_i друг от друга, где s_i удовлетворяет условию 0,001⋅λ_M<s_i<0,1⋅λ_M, где λ_М - длина электромагнитной волны в метаматериале, каждый из которых характеризуется длинной l_j, среднее значение которой равно L, a L удовлетворяет условию 0,2⋅λ_M<L<0,5⋅λ_M, при этом расстояние между слоями проводников метаматериала равно h, где h удовлетворяет условию 0.001⋅λ_M<h<0.1⋅λ_M, а угол поворота слоев относительно друг друга β удовлетворяет условию 0°<β<90°. Блок беспроводного приема энергии содержит приемную катушку индуктивности, нагрузку и вторую цепь согласования импедансов. При протекании переменного тока по метаматериалу в составе передатчика электромагнитной энергии им генерируются перпендикулярное своей плоскости магнитное поле. Приемная катушка в блоке беспроводного приема энергии выполнена с возможностью индуктивной связи, благодаря чему переменное магнитное поле, создаваемое посредством передатчика, индуцирует зарядные токи в приемной катушке индуктивности. Недостатком вышеуказанного решения является необходимость заполнения объема метаматериала между проводниками диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости с целью миниатюризации блока беспроводной передачи энергии, и низким значением диэлектрических потерь с целью минимизации вносимых потерь. В литературе известно несколько жидких диэлектриков, которые соответствуют данным требованиям, в частности дионизованная вода. Однако любое нарушение герметичности или взаимодействие с металлическими проводниками может приводить к ионизации объема воды, и, как следствие, увеличению диэлектрических потерь, что снижает добротность блока беспроводной передачи и эффективность передачи энергии. К недостаткам следует также отнести отсутствие стандартной массовой технологии изготовление данного решения, что приводит к использованию дорогостоящих технологических процедур, увеличивая себестоимость системы беспроводной передачи энергии.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является снижение стоимости изготовления с использованием технологии массового производства и повышение эффективности передачи энергии от блока беспроводной передачи энергии к блокам беспроводного приема энергии.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в использовании стандартной технологии и простоты изготовления.

Повышение эффективности передачи энергии от блока беспроводной передачи энергии к блокам беспроводного приема энергии достигается за счет формирования равномерного магнитного поля с высокой интенсивностью на поверхности блока беспроводной передачи энергии. Указанный технический результат достигается тем, что передатчик электромагнитной энергии в составе блока беспроводной передачи энергии представляет собой метаматериал, состоящий из одного слоя проводников длиной L, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу на расстоянии s_i друг от друга, где s_i удовлетворяет условию 0,001⋅λ_M<s_i<0,l⋅λ_M, где λ_M - длина электромагнитной волны в метаматериале, замкнутых друг на друга по краям с помощью емкостных элементов, при этом длина проводников L определяется по формуле:

где

- параметр, характеризующий емкость конденсатора С, ω - круговая частота, Z₀ - волновое сопротивление проводников линии.

Сущность поясняется фигурами, где:

на фиг. 1- структурная схема устройства беспроводной передачи энергии;

на фиг. 2 - эквивалентная схема передатчика электромагнитной энергии;

на фиг. 3 - один из вариантов конкретного выполнения передатчика электромагнитной энергии (вид сверху);

на фиг. 4 - один из вариантов конкретного выполнения передатчика электромагнитной энергии (вид сбоку);

на фиг. 5 - частотные зависимости коэффициента отражения предлагаемого передатчика электромагнитной энергии, полученные в результате электродинамического моделирования (левая) и экспериментального исследования (правая);

на фиг. 6 - картины распределения ближнего магнитного поля предлагаемого передатчика электромагнитной энергии, полученные в результате численного моделирования (левая) и экспериментального исследования (правая).

Устройство беспроводной передачи энергии (фиг. 1) содержит источник энергии 1, соединенный последовательно с первой цепью согласования импедансов 2 и передатчиком электромагнитной энергии 3. Принимающее устройство состоит из приемника электромагнитной энергии 4, цепи согласования импедансов 5 и нагрузки 6. Канал беспроводной передачи энергии осуществляется между передатчиком 3 и приемником 4 электромагнитной энергии посредством ближнего магнитного поля.

Передатчик электромагнитной энергии 3 представляет собой метаматериал (фиг. 2), состоящий из одного слоя проводников 7 длиной L, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу на расстоянии s_i друг от друга, замкнутых друг на друга по краям с помощью емкостных элементов С 8. Для подачи энергии от источника энергии 1 к передатчику электромагнитной энергии 3 один из проводников метаматериала соединен с источником 1 через первичную цепь согласования импедансов 2. При этом в качестве источника энергии 1 может использоваться любой известный генератор переменного тока. Первая цепь согласования импедансов 2 может быть реализована в виде набора переключаемых катушек индуктивностей и конденсаторов. Передатчик электромагнитной энергии 3 выполнен с возможностью индуктивной связи с приемником электромагнитной энергии 4. В качестве приемника электромагнитной энергии 4 может использоваться проволочная катушка. Вторая цепь согласования импедансов 5 может быть реализована в виде набора переключаемых катушек индуктивностей и конденсаторов. Нагрузка 6 может быть представлена любым мобильным устройством.

Устройство беспроводной передачи энергии работает следующим образом.

Источник энергии 1 генерирует переменный электрический ток частотой ƒ, который поступает на разрыв крайнего проводника метаматериала через первую цепь согласования импедансов 2. Ток, протекая по крайнему проводнику 7 метаматериала, возбуждает собственную моду метаматериала. При резонансном возбуждении собственной моды метаматериала на его поверхности создается ближнее магнитное поле направленное перпендикулярно плоскости метаматериала, которое обладает однородной фазой и имеет однородный профиль амплитуды в активной области передачи энергии (фиг. 6). Данное распределение магнитного поля обусловлено определенным направлением токов в проводниках 7, которые можно интерпретировать как эквивалентные рамки с токами, полученные благодаря емкостным нагрузкам 8. При помещении приемника электромагнитной энергии 4 (на фигуре не показан) в активную область зарядки магнитное поле передатчика электромагнитной энергии 3 наводит индукционный ток в приемнике электромагнитной энергии (на фигуре не показан). При этом первая цепь согласования импедансов 2 обеспечивает согласование выходного импеданса источника энергии 1 и входного импеданса передатчика электромагнитной энергии 3, а вторая цепь согласования 5 (на фигуре не показана) обеспечивает согласование входного импеданса приемника электромагнитной энергии 4 и входного импеданса нагрузки 6. При помещении в активную область передачи энергии нескольких приемников электромагнитной энергии (на фигуре не показаны) устройство работает тем же образом.

Периодическая структура метаматериала представляет собой, таким образом, резонатор, работающий на частоте первой собственной моды, который состоит из множества проводников 7, параллельных друг другу, одинаковой длины L и упорядоченных друг от друга с расстоянием s_i. Каждая пара проводников образует длинную линию, импеданс Z₀ которой определяется расстоянием s_i расстоянием между проводниками (фиг. 2). Первая рабочая собственная мода формируется электрическими токами, текущими по множеству длинных линий. Значение резонансной частоты первой моды определяются длиной проводников L и расстоянием между ними s_i. Так как резонансные длины дипольных проволочных антенн сопоставимы по порядку величины с λ_M/2, использование метаматериала из ненагруженных резонансных проводников приводит к огромным размерам структуры, высоким потерям на излучение в дальнюю зону, низкой добротности. С целью миниатюризации элементов периодической структуры метаматериала, снижения потерь на излучение в дальнюю зону, и повышения добротности в предлагаемом техническом решении применены емкости, играющие роль оконечных нагрузок длинных линий. Каждый проводник соединен с соседним проводником с помощью емкости. При этом резонансная длина проводника теперь выражается формулой

где λ_M - длина волны радиочастотного сигнала в метаматериале,

- параметр, характеризующий емкость конденсатора С, ω - круговая частота, Z₀ - волновое сопротивление длинной линий, которое может быть оценено по формуле

где w - ширина проводника, s_i - расстояние между центрами проводников, ε - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции между проводниками.

Для снижения стоимости изготовления данное техническое решение может быть изготовлено с использованием технологии массового производства печатных плат. Пример реализации передатчика электромагнитной энергии представлен на фиг. 3 (вид сверху) и фиг. 4 (вид сбоку). В этом случае проводники 7 выполнены в виде металлических дорожек шириной w, расположенных на печатной плате 9, толщиной h. Емкости С 8 выполнены в виде элементов навесного монтажа. Проводники в составе метаматериала размещены периодически с расстоянием s_i, которое удовлетворяет условию 0,001*λ_M<s_i<0,1*λ_M. Это позволяет оптимизировать профиль распределения амплитуды ближнего магнитного поля в активной области передачи энергии, и в конечном итоге добиться равномерного распределения амплитуды магнитного поля. Это обусловливает передачу энергии приемным устройствам с одинаковой эффективностью независимо от их расположения в активной области передачи энергии.

Длине волны в метаматериале λ_M при отсутствии емкостных нагрузок соответствует рабочая частота ƒ=с/λ_M, где с - скорость света в вакууме. Применение оконечных емкостных нагрузок длинных линий метаматериала позволяет повысить добротность за счет уменьшения потерь на излучение в дальнюю зону согласно формуле

где R_изд - сопротивление излучения, S - площадь метаматериала, R_дисс - сопротивление диссипативных потерь.

Совокупность вышеприведенных признаков позволяет создать передатчик электромагнитной энергии на основе метаматериала с равномерным распределением магнитного поля в активной области передачи энергии (фиг. 6), который может быть реализован с помощью стандартной технологии.

Таким образом, заявляемое устройство беспроводной передачи энергии позволяет снизить стоимость изготовления устройства беспроводной передачи энергии благодаря использованию технологии массового производства и повысить эффективности передачи энергии от блока беспроводной передачи энергии к блокам беспроводного приема энергии за счет формирования равномерного магнитного поля с высокой интенсивностью на поверхности блока беспроводной передачи энергии.

Claims

Устройство беспроводной передачи энергии, включающее источник энергии, соединенный через первую цепь согласования импедансов с передатчиком электромагнитной энергии, представляющим собой метаматериал, состоящий из проводников, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу на расстоянии s_i друг от друга, где s_i удовлетворяет условию 0,001⋅λ_M<s_i<0,1⋅λ_M, где λ_M - длина электромагнитной волны в метаматериале, выполненным с возможностью индуктивной связи с приемником электромагнитной энергии, отличающееся тем, что метаматериал состоит из одного слоя проводников длиной L, замкнутых друг на друга по краям с помощью емкостных элементов, при этом длина проводников L определяется по формуле
, где
- параметр, характеризующий емкость конденсатора С, ω - круговая частота, Z₀ - волновое сопротивление проводников линии.